Глава 1 Оптические усилители

1.1. Классификация по способу применения

и физическим принципам работы

Взависимости от области использования оптические усилители делятся

на предварительные, линейные и усилители мощности (рис. 1.2).

Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются

непосредственно перед приемником регенератора и способствуют

увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада

усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто

используются в качестве замены дорогих когерентных оптических

приемников.

Рис. 1.2 — Применение оптического усилителя

Линейные усилители устанавливаются в протяженных линиях связи

между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью

компенсации ослабления сигнала, происходящего ввиду затухания в

оптическом волокне или в оптических разветвителях, ответвителях и

мультиплексорах WDM. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные

регенераторы, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.

Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно

после лазерных передатчиков для дополнительного усиления сигнала до

уровня, который не может быть достигнут на основе лазерного диода.

Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем,

например при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-

коаксиальных сетях кабельного телевидения.

В табл. 1.1 указана степень значимости параметров EDFA в зависимости

от типа усилителя.

Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии

внешнего источника. Усилитель - это активная физическая среда, в которой

мощность излучения информационного сигнала увеличивается за счет

мощности излучения. В качестве активной среды используются

полупроводниковые среды или волокна, легированные различными

примесями.

Сравнительный анализ параметров трех типов OA

Параметр

Предусилитель

Линейный

усилитель

Усилитель

мощности

Коэффициент усиления

высокий *

средний

низкий

Коэффициент шума NF

низкий

средний*

низкий

Мощностьнасыщения𝑃𝑜𝑢𝑡𝑠𝑢𝑡

низкий

средний

высокая *

Нелинейность **

низкий

низкая

Полоса усиления

узкая

широкая

* —указан наиболее значимый параметр;

** —нелинейность охватывает совокупность характеристик: зависимость

Gот Pin, поляризационную чувствительность, поперечные помехи между

каналами

К оптическим усилителям предъявляется ряд требований:

 высокий коэффициент усиления в заданном диапазоне оптических

частот;

 малые собственные шумы;

 нечувствительность к поляризации;

 хорошее согласование с волокном;

 минимальные нелинейные и линейные искажения оптических

сигналов;

 большой динамический диапазон входных сигналов;

 широкая полоса усиления для ВОСП-СР;

Этим требованиям в наибольшей степени отвечают

полупроводниковые и волоконные усилители, настроенные на стандартные

три окна прозрачности волокна: 0,85; 1,31 и 1,55 мкм.

Существует три основных типа оптических усилителей, используемых в

VOSP-SR: полупроводниковые усилители, усилители на легированном

волокне и рамановские усилители (рис. 1.3). Полупроводниковые

усилители могут быть разработаны для любой длины волны, на

которой работают лазеры в передающих оптических модулях.

Рис. 1.3 — Классификация оптических усилителей

1.1.2. Полупроводниковые оптические усилители

Полупроводниковые усилители (OSA —Optical Semiconductor Ampli-

fier)работают на основе хорошо известных принципов полупроводниковых

лазерных диодов и осуществляются, как правило, по двум схемам:

— резонансные усилители, в которых эффект усиления и

отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень

постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается ниже порогового

значения;

— усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления

наблюдается при распространении входного излучения в инверсной

среде активного слоя с просветленными гранями.

Возбуждение в обоих типах OSA достигается внешней электрической

накачкой.

OSA с резонатором Фабри —Перо (OSA-FP) являются разновидностью

резонансных OSA. OSA-FP состоит из усиливающей среды, заключенной в

плоский резонатор с зеркальными полупрозрачными стенками. OSA-FP

обеспечивают высокий коэффициент усиления (до25 дБ) в очень

узком(1,5ГГц), но широко перестраиваемом(800ГГц) спектральном

диапазоне (рис. 1.4,а). Кроме этого, эти устройства не чувствительны к

поляризации сигнала и характеризуются сильным подавлением боковых

составляющих (ослабление на20дБ за пределами интервала в5ГГц). В силу

своих характеристик, усилители Фабри —Перо идеально подходят для

работы в качестве демультиплексоров, поскольку они могут всегда быть

перестроены для усиления одной определенной длины волны одного канала

из входного многоканального WDM-сигнала .

Рис. 1.4 —Схема построения полупроводниковых усилителей

Усилитель бегущей волны (OSA-TW) — полупроводниковый

усилитель, ограничивающие поверхности которого покрыты

антиотражающим покрытием (рис. 1.4,б). В последнее время OSA-TWстал

доминировать в группе OSA.

OSA-TW состоит из центральной активной секции около 600 и двух

пассивных секций по 100мкм длиной. Центральный слой представляет собой

раздельную удерживающую гетероструктуру и состоит из объемного актив-

ного слоя толщиной 0,2мкм, заключенного между двух

четвертьволновых слоев по 0,1мкм. Активный слой сужается на длине

150мкм, что обеспечива-ет оптическое согласование с основным пассивным

волноводом. Такой тип структуры обеспечивает высокий коэффициент

локализации вследствие раз-ницы между показателями преломления слоев в

широкой области и увели-ченный точечный размер на торцах для увеличения

коэффициента согласова-ния с волокном.

Усилители бегущей волны могут быть реализованы с достаточно боль-

шим коэффициентом усиления (около 30 дБ) и широкой полосой (около

5–10 ТГц). Для этого необходимо подавление возможных отражений

фотонов от торцов (отражение менее 0,1 %). Для дополнительного снижения

коэффи-циента отражения используют наклонный активный слой или

дополнитель-ные грани .

Твердотельные усилители имеют ряд недостатков, которые делают их

непрактичными для использования в качестве линейных усилителей.

Первый недостаток является очень существенным, т.к.

коэффициент усиления OSA в зависимости отнаправления поляризации

может отличаться на4–8дБ для двух ортогональных поляризаций. Так как в

стандартном одно-модовом волокне поляризация распространяемого

светового сигнала не кон-тролируется, поэтому коэффициент усиления OSA

зависит от неконтролируемого фактора. Можно уменьшить эту

зависимость от поляризации путем установки двух OSA. Возможно как

параллельное (требуется пара разветви-телей), так и последовательное их

подключение, но это приводит к усложнению конструкции и росту

стоимости конечного продукта.

Второй недостаток OSA обусловлен тем, что светоизлучающий актив-

ный слой имеет поперечный размер несколько микрон, а толщину — в

пределах одного микрона, что много меньше, чем диаметр светонесущей

части оптического одномодового волокна (8–10 мкм). Вследствие этого

большая часть светового потока из входящего волокна не попадает в

активную область и теряется, что уменьшает КПД усилителя. Увеличить

КПД можно, поставив между входящим волокном и активной средой линзу,

что приводит к услож-нению конструкции.

Два приведенных недостатка нивелируются в тех случаях, когда OSA

интегрирован с другими оптическими устройствами. Именно так

преимущественно и используются OSA. Одна из возможностей интеграции

— производство совмещенного светоизлучающего лазерного диода,

непосредственно на выходе которого устанавливается OSA.

В табл. 1.2 приведены типовые параметры OSA .

Параметры

Окна прозрачности, мкм

0,82–0,85

1,28–1,33

1,53–1,56

Химическое соединение

AlGaAs/GaAs

InGaAsP/InP

AlGaAsPSb/GaSb

Назначение

усилителя

Предвари

тельный

Мощ-

ности

Предвари

тельный

Мощ-

ности

Предвари

тельный

Мощ-

ности

Коэффициент

усиления, дБм

34 – 40

10 – 15

12–16

20–27

10–12

Полоса

частот

усиления, ТГц

200–250

60–90

30–50

Мощность

накачки, мВт

100–150

45–50

80–150

50–70

80–200

Ток накачки,

мА

–

80–400

–

80–400

Потребляемая

мощность, Вт

1,5

2,5

1,5

Таблица 1.2

OSA могут использоваться во всех трех схемах применения (см.

рис.1.2).Одним из главных преимуществ OSA перед EDFA является

возможность их работы во всех трех окнах прозрачности кварцевого

волокна.Когда OSA используется в качестве предусилителя, уровень

выходного сигнала, подаваемого на оптический приемник, настолько высок,

что производительность приемника ограничивается уровнем дробового

шума. Относительно высокий коэффициент шума (около 5-7 дБ) типичного

OSA делает его использование в качестве предварительного усилителя

нежелательным. ОСА может значительно улучшить чувствительность

приемника.

1.1.3. Усилители на допированном волокне.

История усилителей на допированном волокне (DFA —Doped Fiber

Amplifier) восходит к 1960 годам, когда впервые был продемонстрирован

оптический усилитель на стеклянном волокне с покрытием из ниодима с

рабочей длиной волны 1,06мкм. По прошествии ряда лет было выполнено

объединение физических принципов, положенных в основу работы

одномодового стеклянного волокна и полупроводникового лазера, и

создавались условия для появления DFA на 1,55 мкм в 1987 г.

Как видно из названия усилитель на допированном волокне

основан, на оптическом волокне с примесью редкоземельного материала, в

основном эрбия Er. Длина допированного волокна, как правило, колеблется

от 20 до 100 м. DFA получили наибольшее распространение в ВОСП-СР.

Это связано с рядом их неоспоримых достоинств по сравнению с остальными

OA:

 простотой конструкции;

 высокой надежностью;

 большими коэффициентами усиления;

 малыми шумами;

 широкой полосой усиления;

 нечувствительностью к поляризации усиливаемого сигнала и т.д.

Принцип действия DFA основан на эффекте возбуждения внешней

накачкой атомов редкоземельного материала, помещенного в сердцевину

обычного одномодового стеклянного волокна. Редкоземельные металлы

подбираются таким образом, чтобы существовали зоны поглощения внешней

энергии и создавалась инверсная населенность, приводящая к спонтанной и

стимулированной люминесценции.

Наиболее подходящими для DFA считаются редкоземельные празео-

дим Pr, неодим Nd, эрбий Er, тулий Tm, совместно эрбий Erи иттрий Y, а

также гольмий, самарий, таллий. Они позволяют создать DFA, работающий

на различных длинах волн от 500 до 3500 нм. Наибольшее распро-странение

среди DFA получили эрбиевые усилители

EDFA(ErbiumDopedFiberAmplifier).

Функциональная схема DFA приведена на рисунке 1.5.

Рис. 1.5 —Функциональная схема DFA

Для того чтобы волокно стало усиливающей средой, оно накачивается

излучением отдельного лазера. Большая часть мощности усиленного сигнала

(95%) проходит через фильтр на выход. Оптический изолятор предотвращает

прохождение отраженных в усилителе сигналов во входящее волокно.

Усилитель на волокне, легированном эрбием (EDFA) является од-

ним из наиболее практичных, однако его применение ограничено окном про-

зрачности 1550 нм. Усиление в EDFA происходит по всей длине

волокна, легированного редкоземельным металлом эрбием.Усилитель EDFA

состоит из двух активных элементов: активного волокна, легированного

Er3+, и полупроводникового лазера накачки. Фактически используются

длины волн 1480 и 980 нм. Для накачки предпочтительны лазерные диоды

GaAs, которые достигают эффективности накачки около 11 дБ/мВт.На длине

волны 980 нм наблюдаются наименьшие шумы усиления, а на длине

волны 1480 нм нет жестких требований к точности настройки.

Оптический усилитель с накачкой на длине волны 1480 нм называют двух-

уровневым, а усилитель с накачкой на длине волны 980 нм —трехуровневым

(рис. 1.6).

Рис. 1.6 — Диаграмма энергетических уровней оптического усилителя

Ионы эрбия возбуждаются за счет поглощения энергии излучения лазе-

ра накачки (𝜆р). Они переходят с основного уровня на более высокие энерге-

тические уровни, а затем — безизлучательно на метастабильный уровень.

Одновременно на возбужденные атомы воздействует излучение сигнала

𝜆𝑐, вызывающее стимулированное излучение на всей длине активного

волокна.

В настоящее время на рынке доминируют EDFA, а основные их конку-

ренты — OSA — до сих пор уступали им дороговизной производства,

чувствительностью к поляризации и высоким уровнем перекрестных помех.

Другие усилители типа DFA. Усилитель на кварцевом волокне,

легированном эрбием, обеспечивает полосу около 35 нм в окне прозрачности

1550 нм. Однако окно прозрачности волокна с потерями не более 0,25 дБ/км

имеет ширину примерно 200 нм. Если же допустить уровень потерь до ве-

личины 0,35 дБ/км, то можно рассчитывать на использование системами

DWDM-полосы шириной примерно 400 нм. Для использования такой широ-

кой полосы требуются усилители с другими редкоземельными легирующими

добавками. Одним из таких усилителей может быть оптический усилитель на

теллуритовом волокне, легированном эрбием (EDTFA), который способен

расширить полосу усиления до 90 нм .

Использование волоконного усилителя с легированным тулием, такого

как TDFFA, позволяет расширить полосу пропускания усилителя от 1470 до

1650 нм. Оптический усилитель, легированный празеодимом, работает в окне

прозрачности 1310 нм. TDFA работают по схожему принципу с EDFA.

Волокно, используемое в TDFA,является очень хрупким, что препят-

ствует широкому внедрению тулиевых усилителей. Соединение TDFA с

существующей волоконно-оптической сетью осуществляется только с

помощью эпоксидного пигтейла, что представляет собой сложную задачу и

является дорогостоящим, кроме того приводит к потерям более чем 0,3 дБ.

Волоконно-оптические усилители, легированные тулием (TDFA)

для 𝑆+- полосы (1450–1480 нм) и S-полосы (1480–1530 нм) являются

кандидатами для следующего поколения DFA взамен EDFA для L-полосы.

Специалисты NTT Laboratories (Япония) путем использования

специального эквалайзера создали EDTFA с относительно плоской

характеристикой в диапазоне 1561–1611 нм, коэффициентом усиления

порядка 25 дБ и уровнем шума менее 6 дБ. На основе этого

экспериментального образца компания NTT создала впоследствии усилитель

типа EDTFA с плоской характеристикой в рабочем диапазоне 1570–1617 нм.

1.1.4. Нелинейные оптические усилители

Существуют два вида оптических усилителей, в которых усиление

оптических колебаний происходит врезультате рассеяния излучения накачки

на атомах вещества, из которого состоит волокно. Усилители работают

на основе эффектов Рамана и Мандельштамма —Бриллюэна,

возникающих в волокне при большой мощности накачки .

Рамановские усилители (RA—RamanAmplifier) строятся на основе

стимулированного рамановского рассеяния, возникающего в результате рас-

пространения излучения в длинных волокнах. В рамановском усилителе

оптические волны сигнала и накачки вводятся в оптоволокно через

направленный разветвитель типа WDM (рис. 1.7). Энергия передается от

накачки к сигналу благодаря процессу рассеяния Рамана при одновременном

их распространении в волокне .

Рис. 1.6 — Схема волоконного рамановского оптического усилителя

Использование кварцевого волокна в качестве усиливающей среды в

рамановском усилителе позволяет избежать сложности стыковки с

волоконной оптикой, в отличие от SOA или TDFA. Эффект Рамана

присутствует в каждом оптическом волокне. Способность среды усиливать

оптический сигнал характеризуется Рамановским коэффициентом gR.

Усиление происходит, если и информационный сигнал, и сигнал накачки

имеют одинаковую поляризацию. При ортогональной поляризации обоих

световых пучков рамановский эффект дает малое усиление. На ВОЛС

используются рамановские усилители двух конфигураций:

распределенный (DRA—DistributedRamanAmplifier) (рис. 1.8,а) и дискрет-

ный (LRA—LumpedRamanAmplifier) (рис. 1.8,б).

Сигналы двух ортогонально поляризованных диодов лазерной накачки

мультиплексируются и объединяются в WDMдля создания встречной

накачки в передающем волокне. В результате распространяющийся в

прямом направлении сигнал получает рамановское усиление в волокне.

Использование встречной накачки уменьшает влияние шума накачки на

сигнал.

Выходная характеристика распределенного рамановского усилителя

зависит от свойств передающего волокна, таких как поглощение сигнала

накачки, эффективная площадь А𝑒𝑓𝑓и рамановский коэффициент усиления

𝑔𝑅. Мощность накачки Рнна длине волокна Lопределяется затуханием,

вно-симым этой длиной, с коэффициентом затухания на длине волны

накачки. Так для компенсации потерь мощности в ОВ на длине L=40 кмот

приемной стороны при 𝑔𝑅=4*10–14м/Вт, А𝑒𝑓𝑓50 мкм2 достаточно

подать накачку Р𝑝=0,5 Вт .

Рис. 1.8 — Блок-схема рамановского усилителя:

а — распределенный рамановский усилитель (DRA);

б — дискретный рамановский усилитель (LRA)

Неравномерность усиления является одним из важных параметров для

OA, особенно в системах WDM/DWDM. В случае рамановского

усилителя усиление для конкретного сигнала зависит от разности частот

сигнала и накачки. Различные сигналы получают различное усиление,

зависящее от разности их частоты и частоты накачки. Следовательно любой

из диапазонов длин волн будет иметь некоторое колебание уровня

усиления. Для уровня накачки 200 мВт в диапазоне С (1530–1560) нм,

получается максимальное усиление 7,78дБ с колебаниями уровня ~3,5 дБ.

Величина усиления зависит от мощности накачки и может

достигать 30 дБ при мощности накачки до 1,5 Вт на длине волны 1,3 мкм.

Для работы усилителя в диапазоне длин волн 1,57–1,58 мкм необходимо

осуществлять накачку на волне 1,47 мкм.Чтобы охватить весь диапазон 1530-

1570 нм, используется накачка двух лазеров с длинами волн 1445 и 1462 нм,

соответственно. В настоящее время не существует полупроводниковых

лазеров, способных излучать более 0,2 Вт на указанных длинах волн.

Многокаскадные схемы используются для преобразования излучения

иттербиевых волоконных лазеров в стокс-излучение на нужной длине

волны..Для накачки распределенного рамановского усилителя, как и в EDFA,

в TDFA используется встречная накачка, сонаправленная накачка и

двулучепреломляющая накачка. Насыщение коэффициента усиления

(предельное значение коэффициента усиления) происходит из-за

уменьшения мощности накачки вдоль линии распространения накачки.

Усилитель Рамана может быть использован для увеличения

скорости передачи существующих линий с 2,5 до 10 Гбит/с.

Широкополосность усили-теля превышает 5 ТГц [5].

По сравнению с широко используемыми эрбиевыми усилителями (ED-

FA), рамановские усилители обладают рядом преимуществ:

 широкий спектр усиления (50...100 нм);

 возможность получения усиления в стандартных ОВ;

 реализация лучшего отношения сигнал/шум;

 простая конструкция;

 большая, чем у EDFA, эффективность при больших

мощностях накачки;

 увеличение числа каналов в существующих линиях связи без

замены уже установленных EDFA.А также следующими

недостатками:

 меньшая, чем у EDFA, эффективность при меньших

мощностях накачки (неудобство применения при небольшом

числе каналов);

 возникновение перекрестной модуляции между усиливаемыми

ка-налами;

 зависимость от поляризации.

Однако в последнее время в литературе появились сообщения о

разработке эффективных рамановских усилителей, в которых используются

специальные волокна с большим содержанием германия, обладающие

низкими оптическими потерями. Этот факт, а также разработка

высокоэффективных рамановских лазеров для накачки усилителя будут

играть всё возрастающую роль в волоконно-оптических системах связи.

Разработка схем гибридных усилителей (рис. 1.10), включающих

распределенный рамановский усилитель и эрбиевый волоконный

усилитель, позволила получить равномерное усиление сигналов в полосе

82,8 нм с отклонением не более 3 дБ в пределах заданной полосы .

Рис. 1.10 — Структурная схема гибридного оптического усилителя с

расширением полосы усиливаемых частот

В табл.1.3 приведены сравнительные характеристики усилителей мощности

на основе трех вышерассмотренных типов.

Сравнительные характеристики усилителей мощности

Характеристики

SOA

ED-FA

LRA

Ширина полосы

усиления, нм

1470–1610

1530–1590

1470–1610

Мощность

насыщения, дБм

~ 13

> 20

> 18

Коэффициент

усиления, дБ

> 10

> 15

> 10

Шум-фактор, дБм

< 8

< 6

< 6,5

Поляризационная

чувствительность, дБ

0,5

0,3

Волоконный усилитель Бриллюэна работает на том же принципе, что

и рамановский усилитель, за исключением того, что оптическое

усиление обеспечивается стимулированным рассеянием Бриллюэна . Он

также накачивается оптически, и часть накачиваемой мощности передается

сигналу через рассеяние. Физически каждый фотон накачки отдает

частьэнергии на создание фотона с частотой сигнала, а часть — на

создание акустического фотона. Другими словами, волны накачки

рассеиваются на акустической волне, движущейся через среду со скоростью

звука.

Отметим отличия усиления Бриллюэна от рамановского усиления:

 усиление имеет место только при встречной схеме накачки;

 сдвиг частоты сигнала по отношению к частоте накачки меньше 10

ГГЦ (на три порядка меньше, чем у рамановского усилителя) и зависит

от частоты накачки;

 спектр усиления чрезвычайно узкий (полоса усиления менее 100

МГц).

Очень узкий усиливаемый спектр не позволяет применять этот тип

усилителя в широкополосных системах передачи. Реальное усиление может

достигать 20–30 дБ при величине накачки около 1 мВт.

1.1.5. Методы стабилизации коэффициента усиления

В связи с развитием DWDM-систем в направлении увеличения числа длин

волн передачи, возникает необходимость увеличения диапазона длин

волн усиления . В настоящее время полоса усиления для EDFA в области

1,55 мкм составляет порядка 35 нм. Однако, имея ввиду, что они имеют

плоскую характеристику усиления в области 1,58 и 1,55 мкм, увеличение

диапазона может быть достигнуто путем использования обеих полос

посредством методов, основанных на использовании:

— EDFA с оптическими фильтрами, выравнивающими усиление;

— двух полос частот усиления EDFA с параллельной конфигурацией;

— каскадного соединения EDFA с частично плоским усилением и

усилителя Рамана (см. рис. 1.10).

При выполнении селективного ослабления приходится принимать

во внимание то, что энергия на других каналах также

перераспределяется. В результате чего оптимизация системы становится

сложной итерационной процедурой. Дополнительные сложности возникают,

когда битовые скорости добавляемых или устраняемых каналов различны.

Например, отношение сиг-нал/шум для передачи STM-64 (10 Гбит/с) должно

быть на 6 дБ больше, чем для передачи STM-16 (2,5 Гбит/с). В последнем

случае, дополнительная мощность должна быть добавлена в канал STM-64.

Кроме того, необходимо обеспечить постоянство коэффициента

усиления в условиях периодического подключения и отключения части

спектральных каналов, что также приводит к изменению суммарной

усиливаемой мощности и, в отсутствии стабилизации, к изменению

значения коэффициента усиления в результате насыщения. Изменение

усиления, а следовательно, и мощности рабочих каналов приводит к

увеличению количества ошибок (ВЕR), а может привести и к выходу

системы из строя.

Рассмотрим основные методы стабилизации коэффициента

усиления эрбиевых оптических усилителей (EDFA) .

Методы стабилизации коэффициента усиления. Коэффициент

усиления оптического усилителя пропорционален величине инверсной

населенности активного элемента, который, в свою очередь,

определяется ба-лансом между действием накачки и спонтанных и

вынужденных переходов. Поскольку управлять спонтанными переходами

не представляется возможным, могут быть реализованы две возможности

стабилизации уровня инверсной населенности: путем управления накачкой

или насыщением. В первом случае используются электрические методы

стабилизации, во втором —оптические. Возможно также совмещение

электрических и оптических методов стабилизации.

Электрические методы стабилизации коэффициента усиления за-

ключаются в корректировке мощности лазера накачки для обеспечения

постоянства коэффициента усиления. Корректировка может быть

упреждающей с использованием цепи обратной связи. Для повышения

эффективности стабилизации коэффициента усиления может быть

использована их комбинация (рис. 1.11)

Рис. 1.11 — Электрическая стабилизация коэффициента усиления EDFA

В части комбинированной схемы, отвечающей за упреждающую

коррекцию накачки, разветвитель отводит часть мощности входного сигнала

на фотодетектор, который выполняет его оптоэлектронное

преобразование. Усиленный электрический сигнал, пропорциональный

мощности входного оптического сигнала, используется для управления

мощностью лазера накач-ки. В первом приближении необходимое для

обеспечения постоянства коэф-фициента усиления изменение мощности

накачки происходит пропорцио-нальноизменению мощности усиливаемого

оптического излучения.

В части схемы, отвечающей за коррекцию накачки цепью

обратной связи, два разветвителя отводят часть мощности входного и

выходного сигнала на фотодетекторы, выполняющие их оптоэлектронное

преобразование. Затем сигналы подаются на специальную электрическую

схему, которая сравнивает реальное значение коэффициента усиления,

определяемое по отношению мощностей входного и выходного сигналов, с

требуемым коэффициентом усиления и соответствующим образом

корректирует мощность лазера накачки.

Оптическая стабилизация коэффициента усиления. Принцип

оптической стабилизации усиления заключается в том, что усиливающая

область помещается в резонатор лазера, генерирующего на нерабочей длине

волны. Лазерное излучение, таким образом, оказывается неким балластным

излучением, которое обеспечивает постоянство коэффициента усиления.

Уменьшение общей мощности входящего оптического сигнала

автоматически компенсируется увеличением лазерной мощности и наоборот.

Оптическая обратная связь может быть осуществлена двумя способами: с

помощью кольцевого резонатора и с помощью линейного резонатора.

Кольцевой резонатор для создания оптической обратной связи состоит

из отрезка стандартного волокна, соединяющего выходную часть секции

оптического усилителя с входной, и узкополосного фильтра, задающего

длину волны лазерного излучения.

Линейный резонатор для создания оптической обратной связи состоит

из двух распределенных дифракционных отражателей, расположенных

навходе и выходе усилителя. Максимумы коэффициентов отражения

решеток задают длину волны лазерного излучения. Коэффициенты

отражения на дли-нах волн сигнала и накачки должны быть равны нулю.

Совмещение оптических и электрических методов стабилизации

коэффициента усиления, с одной стороны, может привести к улучшению

характеристик усилителя, с другой —к чрезмерному усложнению схемы

стабилизации. Поэтому целесообразность такого совмещения должна быть

определена в каждом конкретном случае из сравнения затрат на достижение

требуемой степени стабилизации. На рис. 1.12 приведена схема совмещенной

оптоэлектронной стабилизации коэффициента усиления

EDFA(электрическая упреждающая коррекция накачки и оптический

кольцевой резонатор).

Эффективность стабилизации можно охарактеризовать следующими

параметрами:

 время стабилизации Т —время восстановления заданного

значения коэффициента усиления;

 максимальное отклонение коэффициента усиления Δmax —

максимальное его отклонение от заданного значения;

 смещение коэффициента усиления Δ∞ — установившееся по

прошествии времени стабилизации его отклонение от заданного

значения.

Рис. 1.12 — Совмещенная оптоэлектронная стабилизация коэффициента

усиления EDFA

Эффективность стабилизации тем выше, чем меньше численные значе-ния

всех приведенных параметров

Сравнительный анализ различных схем стабилизации

В табл. 1.4 приведены результаты численного моделирования

параметров, характеризующих эффективность работы вышеописанных схем

стабилизации. Параметры стабилизации для рассмотренных методов при

коэффициенте усиления 18 дБ, входной мощности сигнала на канал 10 дБм,

что соответствует отключению 15 из 16 каналов.

Метод стабилизации

Т, мкс

Δmax,дБ

Δ∞ ,дБ

Оптическая обратная

связь (линейный резонатор)

> 200

2,01

0,1

Оптическая обратная связь

(кольцевой резонатор)

> 200

1,72

0,1

Совмещенная оптоэлектронная

стабилизация

> 200

1,53

0,1

Коррекция накачки с цепью

обратной связи

< 100

0,82

0,02

Упреждающая коррекция

накачки

< 5

0,11

Комбинация упреждающей

коррекцией накачки и

коррекции накачки с цепью

обратной связи

< 35

0,4

0,02

Для EDFA наиболее простыми и надежными методами

стабилизации коэффициента усиления являются электрические методы,

что обусловлено относительно медленным изменением коэффициента

усиления в EDFA без стабилизации, связанным с большим временем

релаксации инверсной населенности £≈10 мс .

Наилучшими параметрами среди этих методов обладает

комбинация упреждающей коррекции накачки с коррекцией накачки с

использованием обратной связи, так как они отлично дополняют друг друга:

упреждающая коррекция обладает малым временем стабилизации, а цепь

обратной связи обеспечивает малое значение смещения коэффициента

усиления. Однако быстродействие электрических методов стабилизации

может оказаться недостаточным в полупроводниковых усилителях, для

которых более оптимальным представляется использование оптических

схем стабилизации коэффициента усиления .

1.2. Оптические мультиплексоры

Любой оптический мультиплексор может быть классифицирован как по

физической структуре и принципу организации спектрального

разделения/объединения, так и по функции, выполняемой в ВОСП с СР (см.

рис. 1.1). Рассмотрим эти классификации подробней:

1.2.1. Функциональные принципы построения

Оптический мультплексор/демультиплексор в ВОСП с СР может

выполнять функции:

 терминального мультиплексора;

 мультиплексора ввода/вывода;

 двухканального широкополосного мультиплексора.

Рассмотрим первые две функции подробнее.

Терминальный мультиплексор (OTM)

Терминальный мультиплексор располагается на оконечной станции. На

передающей стороне OTM осуществляет преобразование всех сигналов,

затем мультиплексирует их в один сигнал для дальнейшего усиления и

передачи. На принимающей стороне ОТМ демультиплексирует сигнал WDM

и отправляет сигналы к соответствующему оборудованию.

Рассмотрим для примера OTMOptiXBWS320G (рис. 1.13) .

Оборудование включает следующие функциональные блоки:

преобразования оптической длины волны; оптического

мультиплексирования; оптического усиления; оптического

демультиплексирования; обработки оптического канала управления; связи

и управления и обработки заголовков.

Рис.1.13 — Структура OTMOptiXBWS320G

Мультиплексор ввода/вывода (OADM)

Мультиплексор ввода/вывода устанавливается в тракте передачи, и

служит для ответвления или добавления оптических каналов. Рассмотрим

для примера OADMOptiXBWS320G(рис. 1.14).

Рис. 1.14 —Структура OADMOptiXBWS320G:

MR2 —блок мультиплексирования ввода/вывода 2-х каналов;

WPA —WDM —блок предварительного усилителя;

WBA —WDM —блок усилителя-бустера;

TWС —STM-16 —передающий блок преобразования длины волны;

RWС —STM-16 —принимающий блок преобразования длины волны

Она устанавливается в узле OADM, используется для ввода/вывода до 8

каналов. Остальные каналы (транзитные) проходят через станцию без

изменений. Она состоит из следующих функциональных блоков: оптическое

усиление, обработка оптического канала управления, мультиплексирование

оптического ввода/вывода, преобразование оптической длины волны (для

открытых систем), связь и управление, обработка заголовков.

1.2.2 Физические принципы построения

DEMUX на основе объемных микрооптических устройств

Интерференционные фильтры:

 на основе резонатора Фабри —Перо (FP);

 на многослойных диэлектрических тонких пленках (DTF);

 на отражательных оптоволоконных решетках Брэгга (FBG);Явление

угловой дисперсии:

 в трехгранной призме;

 на дифракционной решетке.

Резонатор Фабри-Перо работает следующим образом: Он, как и любой

интерференционный фильтр, настроен на фильтрацию одной длины

волны. Фильтр на многослойных диэлектрических тонких пленках

работает аналогично резонатору ФП. В этом случае также необходимо

установить каскад фильтров для демультиплексирования лучей. Другой

принцип использован в фильтрах c циркулятором и отражательными ОВ-

решетками Брэгга(рис. 1.15).

Рис. 1.15 — Схема демультиплексора WDM на основе решетки Брэгга

Технология мультиплексирования, основанная на явлении угловой

дисперсии, использует совершенно другие физические принципы. Здесь

входной коллимированный луч падает на диспергирующий элемент и

пространственно разделяется им на несколько лучей в зависимости от длины

волны носителя. Эти пучки, расходящиеся под разными углами,

фокусируются и собираются отдельными приемными оптическими

элементами (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Схема демультиплексора WDM:

а—на отражательной призме;

б—на отражательной плоской решетке

1.2.3 Сравнение технологий WDM-мультиплексирования

Канальный

интервал, ГГц

> 100

> 25

> 10

Изменение λ

угловая

Деформа-

ционная

темпера-

турная

темпера-

турная

Потери

неодно-

родные

низкие,

неоднород-

ные

очень низкие

Переходная

помеха от

соседнего

канала, дБ

–25 ÷–35

–30 ÷–35

–25 ¸–35

Переходная

помеха от

всех каналов,

дБ

очень низка

–25 ¸–35

а < –32

PDL, дБ

0,25

превосходные

0,5

Конструк-

торское

оформление

дискретная

структура

дискретная

структура

интегральная

схема

интегральная

схема

Размер

большой

маленький

Надежность

хорошая

плохая

очень

хорошая

Цена за

канал, $

500

3000

Примечание

для малого

количества

каналов

для малого

количества

каналов

для ≥16

каналов

для ≥16

каналов